取代甲苯催化氧化合成取代苯甲醛

牛鹏程，茹雨晴，袁世申，高巍伟

(青岛科技大学，山东 青岛 266045)

对甲氧基苯甲醛又称为茴香醛，是一种非常重要的合成香料，具有强烈和持久的山楂花气味。与其它芳香醛香料相比，对甲氧基苯甲醛的气味更加柔和，具有更好的扩散性和化学稳定性[1]，广泛应用于化妆品、高分子材料、食用香精、医药等领域[1-4]。

由于对甲氧基苯甲醛在有机合成中的重要作用，其合成方法备受关注。目前，常采用以下几种化学氧化法[5-6]合成对甲氧基苯甲醛(图1)：(1)以对甲基苯酚为原料，先甲基化得到对甲氧基甲苯，再经氧化合成对甲氧基苯甲醛，收率一般在85%左右。对甲基苯酚可从石油和煤炭工业中获得，价格低廉[7]。但甲基化试剂一般选用硫酸二甲酯(DMS)，其毒性大、刺激性强、腐蚀性强，在生产运输中也存在安全隐患。(2)以重铬酸钠或高锰酸钾作为氧化剂，氧化对丙烯基苯甲醚，对甲氧基苯甲醛收率为60%～70%[8]。该反应过程复杂，产生的“三废”量大，污染严重，且成本高。(3)Chaudhari等[9]以Mn/Sn复合氧化物为催化剂、NaBr为诱导剂、醋酸为溶剂，采用甲苯液相氧化法合成对甲氧基苯甲醛，在120 ℃、48～274.6 kPa条件下，选择性仅76%。该方法容易造成环境污染，不符合绿色化学的要求。(4)以对羟基苯甲醛为原料，在碱性条件下与DMS甲基化合成对甲氧基苯甲醛，收率为74%[10]。其优点是反应条件温和、操作简单、收率高，但反应周期长、利用率低、毒性大等缺点严重限制了该方法的工业化应用。(5)Kumar等[11]以水溶性锰卟啉为催化剂、Na5IO6为氧化剂，在不同的反应介质下，开发了一种可控的对甲氧基苄醇氧化方法，对甲氧基苯甲醛收率为84%。虽然该方法操作简单、收率高，但对甲氧基苄醇的价格高于对甲氧基苯甲醛，该方法不适合大规模生产。(6)以对甲氧基甲苯为原料，通过催化氧化法(主要包括气相催化氧化法和液相催化氧化法)将对甲氧基甲苯的甲基氧化为醛基[12-16]。液相催化氧化法具有反应易控制、产物选择性高等特点，具有较高的工业应用价值。鉴于此，作者以对甲氧基甲苯为原料，采用液相催化氧化法合成对甲氧基苯甲醛，考察反应温度、H2O2浓度、催化剂种类及用量、催化剂重复使用次数对对甲氧基苯甲醛收率的影响，并以不同取代甲苯为底物，探究取代苯甲醛合成反应的适用性，拟为取代苯甲醛的绿色合成提供一条新途径。

图1 化学氧化法合成对甲氧基苯甲醛的途径

1 实验

1.1 试剂与仪器

对甲氧基甲苯(99%)、四丁基溴化铵(TBAB，99%，分析纯)、邻硝基甲苯(99%)、对硝基甲苯(99%)、邻氯甲苯(分析纯)、对氯甲苯(99%)、邻溴甲苯(99%)、对溴甲苯(99%)，麦克林；乙酰丙酮氧钒(99%)、偏钒酸铵(NH4VO3，99%，分析纯)，阿拉丁试剂公司；甲苯(99%)，南京化学试剂股份有限公司；乙酸乙酯(99.5%)，天津光复科技发展有限公司；乙腈(分析纯)，天津科密欧化学试剂有限公司；H2O2(30%)，无锡佳妮化工有限公司；H2O2(50%)，淮安众诚化工有限公司。

EYELA/N-1300型旋转蒸发仪，东京理化器械株式会社；FULI/GC-9790型气相色谱仪，浙江福立分析仪器股份有限公司；DF-101S型集热式搅拌器，江苏科析仪器有限公司；JJ-1型精密定时电动搅拌器，常州荣华仪器制造有限公司。

1.2 对甲氧基苯甲醛的合成

分别将对甲氧基甲苯(3.66 g，30 mmol)、四丁基溴化铵(0.6 g，1.86 mmol)、乙酰丙酮氧钒(0.8 g，3 mmol)、10 mL水、15 mL乙腈置于250 mL四口烧瓶中，磁力搅拌，水浴升温至85 ℃，滴加50%H2O2溶液50 mL；反应完毕后降温至室温，加入乙醚充分振荡萃取，分离上层清液，采用柱层析法进行分离纯化，洗脱剂为石油醚-乙酸乙酯(5∶1，体积比)，TLC监测洗脱进程，收集洗脱液，旋干，得到淡黄色液体对甲氧基苯甲醛，收率86.3%。1HNMR(500 MHz,CDCl3),δ:9.89(s,1H),7.85(d,J=8.6 Hz,2H),7.01(d,J=8.6 Hz,2H),3.90(s,3H);13CNMR(125 MHz,CDCl3),δ:190.8,164.6,132.0,129.9,114.3,55.6。

2 结果与讨论

2.1 合成条件优化

2.1.1 反应温度对对甲氧基苯甲醛收率的影响(图2)

图2 反应温度对对甲氧基苯甲醛收率的影响

由图2可知，当反应温度低于50 ℃时，对甲氧基苯甲醛收率低于35%；升高反应温度，收率逐渐提高，当反应温度升至85 ℃时，收率提高到86.3%。这是因为，H2O2分解产生大量·OH需要在一定温度下进行。遵循绿色化学原则，反应温度选择85 ℃。

2.1.2 H2O2浓度对对甲氧基苯甲醛收率的影响(图3)

图3 H2O2浓度对对甲氧基苯甲醛收率的影响

由图3可知，当H2O2浓度低于30%时，对甲氧基苯甲醛收率低于20%；增大H2O2浓度，收率逐渐提高；当H2O2浓度增至50%时，收率达到最高。这是因为，低浓度的H2O2溶液在85 ℃下分解较慢，产生的·OH不足以影响对甲氧基苯甲醛的收率；而过高浓度的H2O2溶液加热会将对甲氧基苯甲醛进一步氧化成对甲氧基苯甲酸。因此，选择H2O2浓度为50%。

2.1.3 催化剂种类对对甲氧基苯甲醛收率的影响(图4)

图4 催化剂种类对对甲氧基苯甲醛收率的影响

由图4可知，钒盐乙酰丙酮氧钒、偏钒酸铵、五氧化二钒对该反应均有催化作用，在催化剂用量相同的情况下，乙酰丙酮氧钒的催化效果最好，偏钒酸铵次之，五氧化二钒最差。这是因为，乙酰丙酮氧钒具有特殊的空间结构，提高了催化效率。因此，选择催化剂为乙酰丙酮氧钒。

2.1.4 催化剂用量对对甲氧基苯甲醛收率的影响(图5)

图5 催化剂用量对对甲氧基苯甲醛收率的影响

由图5可知，当催化剂乙酰丙酮氧钒用量较少时，对甲氧基苯甲醛收率很低，随着乙酰丙酮氧钒用量的增加，收率逐渐提高，当n(乙酰丙酮氧钒)∶n(对甲氧基甲苯)为1∶10时，收率达到最高；若继续增加乙酰丙酮氧钒用量，收率反而下降。这是因为，乙酰丙酮氧钒用量过多会导致对甲氧基苯甲醛进一步氧化成对甲氧基苯甲酸。因此，选择乙酰丙酮氧钒用量n(乙酰丙酮氧钒)∶n(对甲氧基甲苯)为1∶10。

2.2 催化剂重复使用次数对对甲氧基苯甲醛收率的影响

将反应体系下层水相进行减压蒸发浓缩，得到回收的催化剂，用乙醚洗涤，离心，自然干燥，按1.2方法继续下一次反应。催化剂重复使用2次时，对甲氧基苯甲醛收率下降至82%；催化剂重复使用3～6次时，收率波动不大，下降至76%左右。发现催化剂每重复使用一次，催化活性均有所下降。很可能是由于回收过程中催化剂流失所致。因此，在重复使用过程中需要补加催化剂。补加0.04 g(0.15 mmol)乙酰丙酮氧钒，按1.2方法继续下一次反应，反应结果基本一致。

2.3 反应底物的扩展

在最佳合成条件下，即反应温度为85 ℃、H2O2浓度为50%、催化剂乙酰丙酮氧钒用量n(乙酰丙酮氧钒)∶n(对甲氧基甲苯)为1∶10，分别以对甲氧基甲苯、甲苯、对氯甲苯、邻氯甲苯、对溴甲苯、邻溴甲苯、对硝基甲苯、邻硝基甲苯为底物，考察不同底物对取代苯甲醛收率的影响，结果如图6所示。

由图6可知，在相同的反应条件下，以对甲氧基甲苯为底物合成的对甲氧基苯甲醛收率最高，以甲苯为底物次之，其它底物合成的取代苯甲醛收率很低。这是因为，供电子基有活化苯环的作用，促进氧化反应的进行；而吸电子基有钝化苯环的作用，抑制氧化反应的进行。

图6 不同底物对取代苯甲醛收率的影响

2.4 可能的反应机理(图7)

由图7可知，H2O2在加热条件下生成·OH，

图7 合成对甲氧基苯甲醛可能的反应机理

3 结论

以对甲氧基甲苯为原料，采用液相催化氧化法合成对甲氧基苯甲醛。在反应温度为85 ℃、H2O2浓度为50%、催化剂乙酰丙酮氧钒用量n(乙酰丙酮氧钒)∶n(对甲氧基甲苯)为1∶10的最佳条件下，对甲氧基苯甲醛收率可达86.3%；以不同取代甲苯为底物，均能够顺利得到预期的取代苯甲醛，且甲苯取代基对取代苯甲醛收率有一定的影响。